Nghiên cứu tái sử dụng phế thải nông nghiệp làm vật liệu hiệu năng cao xử lý nước thải

TỔNG QUAN

Aerogel sinh họ c

Trong th k 21, mt th h aerogel mi da trên sinh khc phát trin Nhng vt lic gi là aerogel sinh hc ch  t o bng cách:

(i) hòa tan các polymer sinh hc (polysaccharide hoc protein)

(iii) làm khô siêu ti hn s d ng CO  2

Polysaccharide là thành phần chính trong việc tạo ra aerogel sinh học Polysaccharide được cấu trúc từ các liên kết hóa học, tạo thành các cấu trúc phức tạp hoặc dạng vật chất nhẹ Với các đặc tính sinh học vượt trội, polysaccharide thể hiện tính thân thiện với môi trường, chi phí sản xuất hợp lý và sự hiện diện của nhiều nhóm chức năng, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng trong các ứng dụng sinh học.

ng, aerogel sinh hc t o thành t các ngu n tài nguyên tái t o, ch ng      h n nh t và du th c vt Trong polysaccharide 

c th nghi m thành  công trong ch to aerogel vc tính ng d ng trong y sinh, ch ng h    thut mô, phân ph i thu[13] 

Hình 4 Quy trình chế ạo aerogel sinh học [7] t

Các quá trình sản xuất aerogel sinh học chủ yếu bao gồm việc lựa chọn chất liệu, tiếp theo là quá trình tạo hình, trong đó quan trọng nhất là loại dung môi khô ráo được sử dụng mà không làm giảm thể tích hoặc tính chất cơ học của màng liên kết.

ng c thc hi n b ng cách chuy n dung môi trong gel thành ch t l ng      siêu ti hc gi i phóng t  t  i d m b o aerogel gi   nguyên cu trúc ca dt (Hình 4)

Ngun polymer sinh hc s  d ng làm tin ch ch  t o aerogel sinh hc có th  k  [7]:

Sản xuất aerogel từ sinh khối đang thu hút sự quan tâm do chi phí thấp và tiềm năng kinh tế lớn Nhiều loại nguyên liệu thô có thể được sử dụng để sản xuất aerogel, trong đó cellulose và silica là hai loại phổ biến Cellulose, một polymer tự nhiên phong phú, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp cho nhiều mục đích khác nhau, từ vật liệu cách nhiệt đến chất hấp thụ Việc sử dụng cellulose trong sản xuất aerogel không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu quả và tính bền vững của sản phẩm.

i nhing thu ch bng cách s dt lo i polyme t  nhiên có th tái to và phân h y sinh h c

 xp và di n tích b m  t riêng l n Nh ng  

c tính này cho phép s  d ng aerogel cellulose trong nhic khác nhau, ch ng  hp ph và phân tách dc, cách nhit và các ng d ng y sinh 

Nội dung bài viết được chia thành ba loại aerogel cellulose dựa trên nguyên liệu thô, bao gồm: aerogel cellulose tự nhiên (aerogel nanocell và aerogel cellulose vi khuẩn), aerogel cellulose tái sinh và aerogel derived cellulose Các loại aerogel này có khả năng giải quyết nhiều vấn đề trong lĩnh vực ứng dụng, nhờ vào cấu trúc đặc biệt và tính chất vượt trội, như độ bền và khả năng hấp thụ, mở ra nhiều cơ hội trong việc phát triển vật liệu mới và cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp và môi trường.

Trộn lẫn các tiền chất

Cellulose aerogel là một vật liệu nhẹ, thân thiện với môi trường, có khả năng hấp thụ nước và các chất lỏng khác Nó được sản xuất thông qua ba bước chính: (i) hòa tan cellulose trong dung môi, (ii) tạo hình aerogel cellulose bằng phương pháp vật lý hoặc hóa học, và (iii) rút ngắn chu kỳ sản xuất bằng các quy trình tối ưu hóa Vật liệu này không chỉ có tính năng vượt trội mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững.

Cellulose và các dạng xuất phát từ nó, như aerogel, mang lại nhiều lợi ích quan trọng Đầu tiên, chúng có tính chất nhẹ và bền, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong nhiều ứng dụng Thứ hai, cellulose là nguyên liệu tái tạo, góp phần bảo vệ môi trường Thứ ba, cấu trúc cellulose giàu nhóm hydroxyl, tạo điều kiện cho việc hình thành liên kết chéo, giúp cải thiện tính chất cơ học và hóa học của aerogel Cuối cùng, việc tối ưu hóa cấu trúc cellulose có thể nâng cao hiệu suất của sản phẩm, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong ngành công nghiệp.

i d dàng do kh   ph n ng hóa h c cao   

Lignin là một polyme tự nhiên, đứng sau cellulose trong chuỗi phân tử, có cấu trúc phức tạp và siêu phân nhánh, bao gồm ba loại phenylpropane khác nhau Với nhiều nhóm chức như hydroxyl, ether, methoxy aldehyde và ester, lignin được coi là một nguồn tài nguyên quý giá cho việc sản xuất aerogel.

Lignin là một nguyên liệu tự nhiên có tiềm năng lớn trong việc thay thế các nguyên liệu truyền thống, đặc biệt trong ngành công nghiệp Việc tìm kiếm và ứng dụng lignin không chỉ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường mà còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế Sự phong phú của lignin, một loại polyme sinh học, làm cho nó trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho các sản phẩm bền vững và thân thiện với môi trường.

Pectin có th c tìm thy trong trái cây chín và mt s loi rau và có si dng s n ph m ph ca quá trình s n xuc ép trái cây, dn xut 

Pectin là một polysaccharide tự nhiên có khả năng làm giảm mức cholesterol trong máu, giúp cải thiện sức khỏe tim mạch Chất này có mặt trong nhiều loại trái cây như táo và cam, và có tác dụng tạo gel, giúp ổn định cấu trúc thực phẩm Pectin không chỉ có lợi cho sức khỏe mà còn được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm và công nghệ sinh học, nhờ vào tính chất gel hóa và khả năng hấp thụ cholesterol.

c to thành t các vùng tuy n tính c 1,4  

-d-galacturonosil và các este metyl c a chúng b    n b    1,2- - rhamnopyranosyl S hin di n c cacboxyl d c theo c u trúc ca pectin    cho phép hình thành mc thêm vào

Alginate, mt loc Standford phát hit th k c, là mt vt liu hc chit xu t t rong bi n có ch a axit alpha-l-gul-d-   

c liên kt tuy n tính b i m t liên k t 1, 4-c s      d ng r ng rãi trong các ngành công nghi  c phm, thc ph m, d t may và ch bin gi y trong nhi 

Tinh bột là nguồn nguyên liệu tiềm năng để sản xuất aerogel nhờ vào chi phí thấp và tính khả thi sinh học Trong số các nguồn tinh bột, tinh bột lúa mì có tiềm năng lớn để tạo thành hydrogel với nhiều ứng dụng, mang lại nhiều lợi ích cho các ngành công nghiệp.

ng dc pht ch t mang ho t tính sinh h c   

Chitosan là m t trong nh ng polysacarit phong phú nh t, cùng v i cellulose, có th

Polyme sinh học có khả năng tạo ra các sản phẩm thân thiện với môi trường, giúp giảm thiểu tác động xấu đến sức khỏe con người và môi trường Chúng cho phép thực hiện các quy trình sản xuất bền vững, bao gồm khâu chế biến và vận chuyển, đồng thời làm giảm lượng chất thải và ô nhiễm Việc ứng dụng polyme sinh học trong sản xuất không chỉ thúc đẩy sự phát triển bền vững mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hệ sinh thái.

Nh ng lo c s  d ch  t o aerogel có th k  n:

Cellulose aerogel từ sinh khối thực vậ t

1.3.1 Cellulose và nguồn cellulose từ sinh khối thực vật

Cellulose là một polysaccharide cấu tạo từ các đơn vị glucose liên kết với nhau thông qua liên kết β-(1→4)-glycosid, có khả năng phân hủy sinh học và không bị phân hủy bởi các enzyme tiêu hóa của động vật Cellulose bao gồm các liên kết giữa oxy và carbon, cũng như các liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl và oxy, tạo nên cấu trúc vững chắc cho các chuỗi cellulose.

Cấu trúc của cellulose hình thành từ các liên kết hydro giữa các phân tử, tạo thành một mạng lưới vững chắc Các liên kết hydro OH-O đóng vai trò quan trọng trong việc giữ các chuỗi cellulose lại với nhau, trong khi các liên kết hydro CH-O và lực phân tán Van der Waals góp phần vào sự ổn định của cấu trúc Bên trong cấu trúc phân lập, các phân tử cellulose liên kết với nhau, tạo nên tính chất đặc trưng của vật liệu này.

Lignocellulose là một cấu trúc phức tạp bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, với kích thước vi mô khoảng 3-34 nm Cellulose tự nhiên được hình thành từ các sợi cellulose có đường kính khoảng 1-4 mm Cấu trúc vi mô của lignocellulose cho thấy sự tổ chức phức tạp của các lớp thành phần, trong đó cellulose hiện diện dưới dạng microfibrils Các microfibrils này được tổ chức thành nhóm các chuỗi phân tử cellulose, tạo thành các sợi dày và bền vững Tuy nhiên, các sợi cellulose này bao gồm các vùng cellulose kém ổn định, dẫn đến tính giòn và khả năng chịu lực kém Cấu trúc này ảnh hưởng đến tính chất cơ học của lignocellulose, làm cho nó có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Cellulose c coi là loi polyme di dào nhc chit xut t g và các b ph n không ph i g c  a cây c i, th c v Vì th  c v t và  cây ci có th tái t o nên tính s n có và b n v ng c    m b o (Hình 5) 

H nh 5 Cellulose t sinh khì ừ ối thực vật [10]

Nhiều nghiên cứu đã thực hiện sự thay thế cellulose cho các polyme truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ Cellulose có thể chiết xuất từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, chủ yếu bao gồm thực vật và các vật liệu có nguồn gốc thực vật như gỗ, bông, khoai tây, bã mía, vỏ sầu riêng, lá thông, và sợi tự nhiên Tính chất của cellulose rất đa dạng và phù hợp cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp, nhờ vào khả năng tái tạo và tính bền vững của nó.

nh nhinh bi loài thc vt s dng làm nguyên li tách cellulose

c s  d ng trong quá trình chi t tách, bao g m: các quy trình   tin x lý, sau x lý và quá trình phân hc tính c a cellulose    aerogel b ng b i ngun thc vt mà t  o ra [13]  c t

Cellulose là thành phần chính trong các chất thải nông nghiệp như thân cây ngô, bã mía, và nhiều loại khác Chúng có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng sinh học, với tiềm năng tạo ra khoảng 50 triệu tấn năng lượng mỗi năm Tuy nhiên, hiện nay, phần lớn cellulose vẫn chưa được khai thác hiệu quả, dẫn đến việc phát thải khí nhà kính từ quá trình phân hủy tự nhiên.

NOx, CO, CO2 là những khí thải gây ô nhiễm môi trường Dừa là một trong những loại cây phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam với sản lượng ước đạt 3 triệu tấn (Theo thống kê Việt Nam, 2022) Sau khi thu hoạch trái, nông dân thường gặp khó khăn trong việc xử lý lá, thân và rễ của cây dừa, dẫn đến việc phải sử dụng thuốc diệt cỏ hoặc các phương pháp không thân thiện với môi trường.

Mía là một trong những cây công nghiệp quan trọng nhất tại Việt Nam, với tổng diện tích trồng lên tới 150.689 ha trong niên vụ 2019/2020 Cây mía chủ yếu được tập trung trồng ở các tỉnh miền Trung và miền Nam, đóng góp đáng kể vào nền kinh tế nông nghiệp của đất nước.

ng vi st 7 662 235 tn Bã mía chi m kho ng 30% tng tri khong 4 triu tn bã mía mi v trong nh [16]

Thành phn trong sinh kh, bã mía và lá da ch yu bao g m cellulose,  hemicellulose và lignin liên kt vi nhau t o thành m  cng cao Cellulose

u là carbohydrate, trong khi các khi xây dng chính c a c u trúc  

c gi là monolignols [15] B ng 1 th hin hàm  

ng ca các thành phn này trong sinh khi c, bã mía và lá da

B ng 1 Thành phả ần cellululose, hemicellulose và lignin trong r m rơ ạ, bã mía và lá d a ứ

1.3.2 Quy trình chế ạo cellulose aerogel t a) Chiết tách cellulose từ sinh khối

u tiên, tùy thu c vào ngu n cellulose, c n ti n hành chi t tách cellulose t sinh kh i       

Việc chiết xuất cellulose từ sinh khối lignocellulose là một quy trình phức tạp do tính chất bền vững của thành phần tế bào thực vật Các thành phần chính bao gồm cellulose, lignin và sáp, nằm trên bề mặt của thành tế bào và có thể được tách ra thông qua quá trình hóa học, giúp gia tăng giá trị sử dụng của nguyên liệu này.

c s dng trong ngành s n xu t gi y   

c chính liên n quá trình tng hp aerogel da trên cellulose là sol-

-c s d sn xu t  tt c các loi vt liu aerogel [19] b) Quá trình sol-gel hóa

Sol-ng h p hóa h c s dng ph bin nh tng  h p h u h  t các loi aerogel  n này, pha l ng  c chuyn thành pha rn-gel Các tính cht cc ch t-gel ph thuc vào

u kic tng h p  -gel bao gc: (1) chun b dung d ch, (2) t o gel, (3) lão hóa (aging), (4) làm khô   

ng h p c a cellulose aerogel, mng polyme có sn giúp loi b yêu cu chun b dung d ch monome ho  ng hp aerogel tng h p hoc vô 

Polyme từ cellulose cần có tác nhân liên kết ngang do các dược phẩm cellulose chứa nhiều nhóm hydroxyl Các vật liệu polysacarit như cellulose có các nhóm chức như hemiacet, nhóm methyl và nhóm hydroxyl, giúp hình thành liên kết giữa và bên trong phân tử.

15 t có khả năng tham gia vào lực van der Waals và hình thành liên kết hydro với các hợp chất hữu cơ trong quá trình tạo gel Các yếu tố như nhiệt độ, độ pH và nồng độ ion ảnh hưởng đến quá trình này, cho phép tạo gel một cách tự nhiên trong những điều kiện nhất định.

t nht là s dng m t tác nhân t o liên k t ngang phù h p Tác nhân t o liên k t       ngang s giúp t o ra m  t loi gel nh vi mng liên kt vng chc

c th hai là quá trình t o gel Gel có c u trúc git bin 3 chi u v i các   l rng ch a cht l ng h p l rng chc ho  u, loi gel này

c gi là hydrogel, aquagel ho c alcogel Ma hydrogel là gi mng   cht lng hoc nhu ki n t  nhiên Khi cht lng trong các l này

c thay th  b ng không khí, v t lic g i là aerogel  

Quá trình lão hóa (aging) trong sol-gel hóa đóng vai trò quan trọng trong việc gia cường các liên kết ngang polymer, giúp tạo ra aerogel với độ bền cao và diện tích bề mặt lớn Trong giai đoạn này, cần tránh các vật liệu lẫn vào gel để đảm bảo chất lượng aerogel không bị ảnh hưởng Sau khi lão hóa, quy trình làm khô tiếp theo là bước cần thiết để loại bỏ nước và hoàn thiện cấu trúc aerogel.

Quá trình làm khô sản phẩm aerogel là yếu tố quan trọng trong việc hình thành cấu trúc ba chiều của nó Quy trình này không chỉ ảnh hưởng đến tính chất của sản phẩm mà còn quyết định đến hiệu quả và khả năng ứng dụng của aerogel Việc lựa chọn kỹ thuật làm khô phù hợp là cần thiết để đảm bảo chất lượng và tính năng của sản phẩm cuối cùng.

Áp suất mao dẫn trong các lỗ răng của vật liệu gây ra sự co ngót và làm hỏng các cấu trúc lỗ răng Trong quá trình làm khô, sự liên kết ngang giữa các liên kết vi mô bị ảnh hưởng, dẫn đến sự co lại của các lỗ răng và cấu trúc vi mô Điều này xảy ra do sự co lại của các lỗ răng trong quá trình làm khô, làm giảm độ bền và ổn định của vật liệu.

i gt gia các si tr nên mc mao d

Trong quy trình sấy khô hydrogel/alcogel, không khí được sử dụng thay thế cho dung môi mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc 3D của hydrogel/alcogel Ba quy trình sấy phổ biến bao gồm: sấy chân không, sấy áp suất thấp và sấy nhiệt độ cao.

Làm khô siêu tới hạn

Làm khô siêu ti hn (supercritical drying) là quá trình loại bỏ dung môi trong không gian kín, nơi mà nhiệt độ và áp suất được điều chỉnh để biến đổi dung môi thành trạng thái siêu tới hạn Quá trình này giúp giữ lại cấu trúc gel và tạo ra vật liệu có tính chất ưu việt, với độ xốp cao và khả năng hấp thụ tốt Khi áp suất và nhiệt độ đạt đến mức tối ưu, dung môi sẽ được chuyển đổi mà không làm hỏng cấu trúc bên trong, dẫn đến việc loại bỏ hoàn toàn pha lỏng mà không tạo ra ranh giới phân chia rõ rệt Sử dụng scCO2 trong quá trình làm khô siêu tới hạn mang lại lợi ích trong việc duy trì tính toàn vẹn của gel và sản phẩm cuối cùng có tính chất vật lý vượt trội.

Làm khô v i áp suớ ất xung quanh

Cellulose aerogel ứng dụ ng trong x ử lý nước nhiễm dầu

Du là mt trong nhng sn ph m hydrocarbon quan tr ng nht trong th gii hi n 

Ngành công nghiệp hiện nay đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc sản xuất và tiêu thụ, bao gồm sự chuyển đổi công nghệ và yêu cầu về tính bền vững Các nguồn công nghiệp chính bao gồm nhà máy lọc dầu, hóa dầu, sản xuất kim loại, gia công và hoàn thiện sản phẩm Đặc biệt, việc sử dụng nguyên liệu tái chế và chất thải công nghiệp đang trở thành xu hướng quan trọng, nhằm giảm thiểu tác động đến môi trường và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Vi s phát trin công nghi hóa nhanh chóng trong nhng thp k qua,  mng lc thi nhim dc to ra t nhi u nguc 

22 thi nhim du trên toàn c u là 9 14 t m 3 [34] Ô nhic thi nhim du ch u th   y hi n các khía c nh sau [35]: 

1) n nguc uc ngm, gây nguy hi m cho ngu n l  i thy s n; 

2) gây nguy him cho sc khi;

3) ô nhi m khí quy n do s    a du và các thành phn hydrocacbon;

5) phá h y c nh quan thiên nhiên

Kh y sinh h c c a d  u trong h sinh thái t nhiên thp và các thành ph n d u có th cn tr các chng trong m t th i gian   

u c n thi t là ph i lo i b d u khc thc khi x th i        

Nhiu quc hin các tiêu chu n nghiêm ng t vi vic x c th i ch a d u do nh ng lo ng  i v ng Ví d , gi i hn x thi cho phép ca du m phân

i vc sn xu lý  Canada là 30 mg/L trung bình hàng ngày Da

nh c a EPA, gi i h i vi du n t m lt là 42 và 29 mg/L Vi b i c nh ô nhic th i d u m , Trung Quc quy 

nh mc phát thi ti vi n c th i d u m là 10 mg/L Do   

 c thi du m là nhu c u c p thic bài toán k thut môi    

ng ngày nay [1] a) Đặc tính củ nước thảa i nhiễm dầu

Dc tìm thc b ô nhim có th là ch t béo, cht lng   ct gt, h c ín, d u m , du thô, du diesel, d u ha, nhiên ling

Nồng độ của các chất ô nhiễm trong nước có sự khác biệt đáng kể giữa các nguồn khác nhau, với mức cao lên tới 40.000 mg/L Những chất ô nhiễm này chủ yếu xuất phát từ các nguồn thải như nhà máy lọc dầu, mỡ động vật, và quá trình chế biến kim loại, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước và sức khỏe cộng đồng.

n, ch bi n th  c phm, lò mng thuc da và nhà hàng

Các git dn tích b mt cao, dn s nh c a h    thng dc biu t n t i d   trình t o và  c bng cách khuy trc và b sung các chc dù thành phng ca du là khác nhau  nhi u ngu c th  d u luôn t n t i   d

c tính cc thi nhim du ph thuc vào b n ch  t ca quá trình sn xut, vn hành và hóa chc s  ch  d bi n Thành ph n c a  

c thi nhi m d u t các ngu n khác nhau có th i Các thành phng     

(i) D u phân tán D u phân tán bao gm các git nh lc Có th chc ni lên mc;

(ii) Các thành phn h c hòa tan, chng h  PAHs, phenol và các ch c

(iii) Hóa cht x lý, chng ht dit khu n, ch t phá v   t

c ch t s hóa ch t này có th gây chi   m c th p t i 0,1   mg/L [37] Cht c ch  làm cho quá trình tách d c kém u- hi u qu    

(iv) Cht rn, chng ht rn kt tt sét, sn ph và các cht rng khác có ngun gc t quá trình s n xu t và vn hành Các h t r c mn có th làm gi m hi  u su t c a thi t b  tách d u

c, dng du m c tht quá gii hn cho phép

(v) Vi khun Vi khun có th làm tc nghn thit b ng  t 

(vi) Khoáng cht hòa tan, chng hi nng, ch t phóng x t nhiên,   v.v

(vii)  mung ca muc thi nhim d  i  u t n t tt c các khu vc sn xut dt [1]

Tái s dc thi nhim du có th  c thc hin trong nc bán du

Quá trình xử lý dầu và thu hồi kim loại quý từ các ngành công nghiệp hóa dầu là nguồn lợi nhuận khổng lồ Tuy nhiên, việc hiện thực hóa quá trình này là một công việc phức tạp Sự hiện diện của các kim loại nặng là một trong những vấn đề chính cần được giải quyết trong việc tái sử dụng.

Nước thải có chứa các kim loại nặng như Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ag, Ni và Zn rất nguy hiểm cho môi trường Những kim loại này có thể gây ra ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái Việc xử lý nước thải nhiễm dầu là cần thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng Các phương pháp xử lý hiệu quả có thể giúp loại bỏ các chất độc hại, bảo vệ nguồn nước và đảm bảo an toàn cho cộng đồng.

Các công nghệ xử lý hiện nay bao gồm tách trưng lộc, hydrocyclone, hợp phức, kết tủa hóa học, tuyền dẫn, lọc màng, oxy hóa hóa học và phân hủy sinh học Những công nghệ này có vai trò quan trọng trong việc xử lý và quản lý các chất thải khác nhau, giúp cải thiện hiệu quả và giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Các phương pháp xử lý này được tóm tắt chi tiết trong Bảng 3.

B ng 3 Các công ngh xả ệ ử lý dầu trong nước [1]

Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm

1.4.2 Nước nhiễm dầu do sự cố tràn dầu a) Giới thiệu chung

Thut ng s c tràn dc s d ch cho s c tràn d u c       bin Vic vô tình hoc c ý gii phóng du thô l ng (m t h  n h p ph c tp ca hàng

nh và kim loi khác nhau) và các loi du có ngun g c khác vào h sinh thái bi  c gi là s c tràn dt   mng nghiêm trng và là v quan tâm ci vi chính ph

u ngành công nghip Thm ha tràn du thô gây thit hng trên di n r ng và h y ho   i kinh t T u tn d

Du lịch biển Việt Nam đã trở thành một trong những ngành kinh tế quan trọng, với hơn 7000 km bờ biển Ngành du lịch này không chỉ góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế mà còn ảnh hưởng tích cực đến đời sống và sinh kế của người dân địa phương Từ năm 2005 đến 2014, Việt Nam đã ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ trong lĩnh vực du lịch, thu hút lượng lớn khách du lịch trong và ngoài nước.

c gia vi s ng v tràn d u nhi u nh t vi trung bình     kho ng 3 v  tràn du m[41]

S hình thành v t du loang dày trên b mn s sng còn c a các loài sinh v ng sinh hc biu này gây nguy him cho s sinh

ng và phát trin c a các sinh v t ba,   n các h sinh thái trên b  

Các hydrocacbon có nguồn gốc từ dầu mỏ, VOCs, PAHs và các sản phẩm cháy khác trong dầu mỏ có thể gây ra những tác động nghiêm trọng đến sức khỏe con người, bao gồm viêm nhiễm, kích ứng, chóng mặt, và các vấn đề về tim mạch Ngoài ra, chúng còn có thể ảnh hưởng đến chức năng gan và thận, cũng như hệ thần kinh và miễn dịch, làm tăng nguy cơ mắc các bệnh liên quan đến ô nhiễm môi trường và phát triển bệnh tật.

Việc vận chuyển dầu thô qua các tuyến đường biển có thể gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường Sự rò rỉ dầu trong quá trình khai thác và vận chuyển có thể dẫn đến ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển và các loài sinh vật sống trong đó Những sự cố này thường xảy ra do các yếu tố như bão, sóng lớn và điều kiện thời tiết khắc nghiệt, làm gia tăng nguy cơ tràn dầu và ô nhiễm môi trường.

S c tràn du ph bin nht xy ra vi các sn phm du m u  ha, dt lng ct gu nhiên liu, du nng, dung môi, v.v Tránh nhim bc và làm sch ngay l  loi b các lp t p d u loang trên m c là

u c n thi t tuy b o v   ng và h sinh vc

S lan rng ca dy ra vi s phân tán và vn chuyn theo nhing t i m c Chuya du qua cc di n  ra nu d u b x xu   i b mc bin D u di chuy n theo chi u ngang theo   

Gió và dòng chảy chính tạo thành vết dầu loang dày vài mm trên mặt nước Các loại dầu nhờn ít thấm hút hơn, thường lan rộng có hình dạng tròn trong khi các loại dầu nặng di chuyển chậm và phân tán.

 nh lan rc c lnh [42] T lan truyn ph thu nht và m c a d u, các y u t t   

ng gió và dòng chy quy dày màng d u và khu v c b ng b i     s c tràn du [43] b) Các ph ng pháp xươ ử lý s c tràn dự ố ầu

Bng 4 trình bày các công ngh c s dng trong ng phó s  c tràn d u Các  công ngh   thu hi du ti hing hoc làm sch b bic nghiên c

Bảng 4 Các phương pháp xử lý sự cố ầu tràn [43] d

Phương pháp Ví dụ Cơ chế Ảnh hưởng đến môi trường

Chi phí Điều kiện áp dụng

 xúc, xô và thùng phuy

H p ph  là quá trình thun nghch da trên s gn k t v t lý ho c hóa h c c a ch t       b hp ph (phân t , nguyên t và ion) vi cht hp ph Nói cách khác, hp ph là hin 

ng b mt quan trn h p ch t l ng (khí) c chuy n    

27 t pha l ng (khí) sang b   mt ch t h p ph thông qua l c truy n kh i và g n vào các        tâm hong ca cht hp ph r n thông qua liên kt vt lý hoc hóa hc

Ph thuc vào kic x y ra gi a b m   t ch t h p ph và ch    t b hp ph ,  quá trình hp ph ch yc phân lo i thành hai nhóm chính: h p ph   vt lý và hp ph hóa h c [44]

1.4.3.2   c a quá trình h p ph   a) Hấp phụ ật lý v

Trong quá trình h p ph  vt lý, s liên kt b hp ph xy ra thông qua các lc Van der Waals Loi hp ph  c gi là hp ph Van

c coi là quá trình hp ph thun nghch do liên kt yu gây ra bg

Quá trình hấp phụ là một hiện tượng quan trọng trong hóa học, diễn ra khi các phân tử chất lỏng hoặc khí bám vào bề mặt rắn Khi áp suất tăng cao, có thể xảy ra sự hấp phụ vật lý, trong khi ở nhiệt độ thấp, quá trình hấp phụ hóa học thường diễn ra Sự khác biệt giữa hai loại hấp phụ này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tính chất của các phản ứng hóa học, đặc biệt là trong các hệ thống có tính phân cực cao Quá trình hấp phụ hóa học thường diễn ra chậm hơn do tính chất đặc trưng của các liên kết hóa học, trong khi hấp phụ vật lý xảy ra nhanh chóng hơn.

Dựa trên phản ứng hóa học xảy ra giữa các gốc chứa electron và các phân tử hợp phức, liên kết hóa học được hình thành, tạo nên sự kết nối giữa các nguyên tử Các phản ứng hóa học, bao gồm liên kết cộng hóa trị, ion và hydro, diễn ra trên bề mặt chất hấp phụ và loại hấp phụ được coi là hấp phụ Langmuir Những liên kết này rất quan trọng trong việc giải hấp các chất độc gây ô nhiễm, và quá trình hấp phụ hóa học là một quá trình phức tạp.

B ng 5 So sánh h p ph vả ấ ụ ật lý và hấp ph hóa hụ ọc [44]

Thông số Hấp phụ vật lý Hấp phụ hóa học

ng hc ca quá trình truy n kh i hp ph bao gm 3  c c th hin trong Hình 7u tiên là khuc này, cht hp ph di chuyn

Màng chất lỏng xung quanh chất hấp phụ có vai trò quan trọng trong việc tạo ra sự chênh lệch nồng độ giữa dung dịch và bề mặt của chất hấp phụ Sự khuếch tán bên trong mô tả quá trình khuếch tán của chất hấp phụ, nơi mà các phân tử chất lỏng di chuyển vào bên trong các lỗ mao quản của chất hấp phụ Điều này ảnh hưởng đến sự hấp phụ của chất lỏng tại các vị trí tâm hoạt hóa của chất hấp phụ, góp phần vào hiệu quả của quá trình hấp phụ.

Hình 7 Các giai đ ạo n chuyển khối trong quá trình hấp phụ [45]

1.4.3.3 Các y  u t nh hn quá trình h p ph  a) Diện tích b mề ặt của chất hấp phụ

Tính chất quan trọng nhất của chất hấp phụ là diện tích bề mặt lớn, cùng với các chất hấp phụ có nhiều mao quản có dạng hình ống hoặc hình dẹt Chất hấp phụ càng nhỏ thì diện tích bề mặt càng lớn và tốc độ tiếp xúc với pha lỏng nhanh hơn.

, t    t ca quá trình h p ph và ch   t b hp ph b  

[44] b) Tính bám dính của dung môi

ng kt dính ca dung môi/kim loi rt quan tr nghiên cu ng ci vng h p ph [44] c) Kích thước của ch t hấp phụ ấ

Các phân tích chất lượng trong quá trình truy cập vào các hệ thống có thể gặp phải nhiều rào cản khác nhau Những rào cản này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của dữ liệu thu thập được Để đảm bảo sự cân bằng và tính hiệu quả trong việc xử lý thông tin, cần phải có các biện pháp khắc phục phù hợp Việc tối ưu hóa các phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu là rất quan trọng để đạt được kết quả đáng tin cậy.

c quá nh không th áp d ng cho t t c mng hp  dng làm     vt liu nhi ct [44] d) Thời gian ti p xúc ế

Cn có mt kho ng th i gian c th  gi  trng thái cân b ng nh m  

Quá trình hợp thục hoàn tất trong một thời gian ngắn và hợp lý Nếu các chất hợp và chất bị hợp phản ứng với nhau trong một không gian lớn, thì trạng thái cân bằng sẽ được thiết lập, giúp các chất bị hợp phản ứng còn lại trong chất lỏng Kết quả cho thấy thời gian tiếp xúc của các chất bị hợp phản ứng sẽ ảnh hưởng đến phẩm vị và trong hầu hết các trường hợp, sẽ dẫn đến sự phát triển của các sản phẩm cuối cùng.

29 này có th gii thích là do quá trình hp ph u n s hi  n di n c a s   

ng ln các tâm hp ph trng có s n khi quá trình h p ph x y ra, s ng      các tâm hp ph này gi m [44] e) Độ hòa tan c a chủ ất bị ấp phụ h

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

V ật liệ u

2.1.1 Các lo i sinh khạ ối sử ụng để chiết tách cellulose d

Bã mía và lá dứa đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu về aerogel Chúng được thu gom từ nông trường tại Hòa Bình sau khi thu hoạch, cung cấp nguyên liệu cho các nghiên cứu tại miền Nam, đặc biệt là ở Hoàng Mai, Hà Nội Các loại nguyên liệu thô này được thể hiện trong Hình 11.

H nh 11 Phì ế thải nông nghiệ đp óng vai trò là nguồn cung cấp cellulose: a) R m ạ, ơ r b) Bã mía và c) Lá dứa 2.1.2 Đối tượng được ứng d ng x lý ụ ử

- Dc s dng trong nghiên c u là d u nh t th i (nhãn hi u Castrol Power1      Ultimate 10w-50 4t) l  y t c a hàng sa cha xe máy và du diesel;

- H n h c nhim du: Hai loi hn h p d u (d u nh   t thi và du diesel) 

c to thành bng cách thêm 8 g dc c t trong c c có   m  ng nht hn h p    t u ki n hình thành l p d dày 3 mm trên b mt Hn hc s dng trong các thí nghi

2.2 Quy trình ch tế ạo cellulose aerogel từ sinh khối thô

2.2.1 Chiết tách sinh khối thu cellulose

, bã mía và lá dc r a s ch, c t thành nh ng m nh nh  

c 2y khô ti 70 o C Tip t nghi n nh và   sàng qua rây l  c bt mng nht v c Hn hp cellulose tronc tin x lý b ng sóng siêu âm trong 10 phút nh  thit b SONICS Vibra

NaOH 2 M được sử dụng để hòa tan các liên kết gãy trong quá trình xử lý Cụ thể, 20 mL NaOH 2M được thêm vào 1 g mẫu và được khuấy đều ở nhiệt độ 90 °C trong 1.5 giờ Sau đó, dung dịch được lọc qua giấy lọc và rửa ba lần để loại bỏ hoàn toàn NaOH còn lại, sau đó ngâm trong dung dịch H2O2 10% (vol/vol) để tiếp tục xử lý mẫu.

 (Hình 12) c th c hi n nh  m lo i b hemicellulose và lignin trong   bt sinh khi, ch gi li celllulose Cu i cùng, b t sinh kh i ti p tc r a ba l n       vc ct và sy khô t i 70  o C trong 24 h ng bc này là cellulose

H nh 12 (a) Quá trình ti n xì ề ử lý bằng sóng siêu âm và (b) H n h p sau quá trình kiỗ ợ ềm hóa 2.2.2 Gel hóa hỗn hợp cellulose – PVA

Cellulose aerogel c ch t- cu c công b  [4], c th hin trong Hình 13 Hòa l n b t  

Nồng độ dung dịch cellulose được nghiên cứu với các tỷ lệ 0.5, 1 và 2 wt%, trong đó dung dịch chứa 0.5 wt% PVA cho thấy tính chất liên kết tốt nhất với cellulose Quá trình siêu âm được thực hiện ở nhiệt độ 80 độ C giúp tạo gel hiệu quả, nhờ vào sóng siêu âm kích thích sự hình thành cấu trúc liên kết giữa cellulose và PVA Sản phẩm cuối cùng được đổ vào khuôn và đông lạnh ở -20 độ C trong 6 giờ để hoàn thiện.

Hình 13 Quy trình chế ạo cellulose aerogel từ sinh khối t 2.2.3 ông khôĐ t o aerogel ạ

n quan tr ng nh t khi giúp to thành vt liu x p, nh  mà không làm

i hình d ng và m i liên kt phân t n này, dung môi trong

c lo i b  u ki n l nh sâu ( 50    o C) và áp sut thp (0.015 mBar) b ng thi t b Labconco Freezone 4.5 Liter Freeze Dry System trong 36 h (Hình 14)

H nh 14 (a) Khuôn chì ứa gel và (b) Các mẫu aerogel trong quá trình ông khôđ 2.2.4 Tạo lớp ph k ủ ị nước cho aerogel

Aerogel là vật liệu độc đáo với cấu trúc chứa nhiều nhóm OH - trong polymer PVA và cellulose, mang lại khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực Nghiên cứu cho thấy aerogel có thể được tổng hợp bằng methyltrimethoxysilane (MTMS) như một tác nhân phản ứng, giúp cải thiện cấu trúc bề mặt của aerogel Qua quá trình silan hóa và sử dụng kỹ thuật CVD (Chemical Vapor Deposition), aerogel đã được biến đổi thành vật liệu với tính chất vượt trội, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong công nghệ và vật liệu.

Mật độ nhờn băng thí tinh, mạ lớp chứa MTMS và aerogel đã được nghiên cứu trong các thí nghiệm với nhiệt độ từ 70 độ C Quá trình này hình thành phân vùng silan hóa trên bề mặt aerogel, tạo ra lớp bảo vệ cho vật liệu Aerogel có độ xốp cao, bền vững và nhẹ, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp và nghiên cứu Sau quá trình chế tạo, các loại aerogel như A1 to RR, A1BM và A1LD đã được phát triển, mở ra nhiều khả năng ứng dụng mới trong công nghệ vật liệu.

Hiu qu c a quá trình ph k c phía trên s giá tr a c

Xác định đặc tính c a v ủ ật liệ u 36 1 Đặc đ ểm hình thái và cấu trúc 36 i

2.3.1 Đặc đ ểi m hình thái và c u trúc ấ

Hình thái và c u trúc t ng quan cc phân tích bng kính hin t (SEM) (SEM, Hitachi, SU8010) th c hin  n áp gia tc 5 kV

 hng ngo i bi c th c hi  nh nh ng  nhóm chc có trong cu trúc ca aeorogel Ph hng ngo i c a các mc  

i máy Nicolet spectrometer iS50 FTIR (Thermo Fisher Scientific)  ch  ATR trong khong quét t 400 cm 1 n 4000 cm 1

Cu trúc tinh th ca các mnh bu x tia X  (XRD) s  d ng phát x 40 o và t quét là 1 o /phút b XRD nhãn hiu PW1730,  tinh khit (CrI) c a mc tính toán d a trên  

 nhi u x c a vùng tinh th     nh hình theo công thc (1) [21]:

 I am  nh c nh hình xut hi

I200 nh cao nht ca cellulose quanh góc 21 23 o 2.3.2 Khối lượng riêng và độ ốp x

Khng riêng ca các mu aerogel ( a, mg/cm 3 c tính toán b ng cách chia  khng cho th  ng ca mu aerogel c th hin trong công thc (2): m a V m

 a: khng riêng ca mu aerogel, mg/cm 3 ; m: khng mu aerogel, mg;

Khng ca mnh bng cân phân tích v chia nh nh t 

 x p c a aerogel (P, %) nh theo công thc (3):

 ath  hi n khng riêng c a aerogel và  slà khng riêng ca tinh th cellulose (1.5 g/cm 3 ) [51] Các kt qu c báo cáo trong nghiên cu là giá tr trung bình cc lp

Thí nghiệm hấp phụ nước và dầ u

 qe  m a (g) và m b sau quá trình

Thí nghiệm hấp phụ dầ u trong h ỗn hợp dầu – nướ c

2.5.1 Ảnh hưởng c a kh i lượng cellulose aerogel đến hi u quủ ố ệ ả loại bỏ ầ d u

2.5.2 Ảnh hưởng c a th i gian ti p xúc và ng hủ ờ ế độ ọc h p phấ ụ

 này mô hình  PFO) và mô hình

[62] Mô hình PFO và PSO qua 8) và (9) [63]: q t q e (1 e k t 1 ) (8)

    trong  này    tính toán  o C, 20 o C, 25 o C, 40 o C và 60 oC   7.0

2.6 Thí nghiệm đánh giá khả năng tái sử dụng

 tái sinh ): l ợng dầu bị loại bỏ bởi ép cơ học l ợng dầu bị hấp phụ 100% a s a b m m

KẾT QU Ả VÀ THẢO LUẬ N

Xác định đặc tính c a v ủ ật liệ u

Nghiên cứu về SEM của các mẫu aerogel từ bã mía, lá dứa và bột lá dứa thô cho thấy bề mặt mịn màng và không có các lỗ rỗng của bột lá dứa thô được bao phủ bởi nhiều lớp hemicellulose và lignin Hơn nữa, cấu trúc của aerogel được tạo ra có khả năng sinh khối rõ ràng mà không bị phá vỡ cấu trúc, thể hiện tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

t tri qua quá trình ch t o Ngoài ra, t t c các nh SEM ca các mu   

ô u cho th y m  t mng cu trúc ba chin hình

c Các c xp cao và s ng l r  ng l n giúp aerogel có kh  

p ph cht l  c: m u và sy khô, cu trúc ca aerogel c ph thu   u tiên m u Ngoài ra, s phân b   c l r ng, hình d ng và s kt ni gia các m ng l rng có  liên quan mt thin hình d ng c a các tinh th 

Kết quả nghiên cứu trong Hình 15b cho thấy, aerogel có cấu trúc rỗng sau quá trình phủ MTMS Kết quả này làm tăng khả năng của aerogel trong việc phân tách dầu ra khỏi chất thải nhiễm dầu trong thực tế.

Hình ảnh SEM của các mẫu aerogel chứa 0.5 wt% cellulose cho thấy: a) A-RR chưa phủ MTMS, b) A-RR đã phủ MTMS, c) A-BM chưa phủ MTMS, d) A-LD chưa phủ MTMS, e) hình ảnh SEM của bột lá dứa thô, và f) các mẫu aerogel thành phẩm.

3.1.2 Cấu trúc tinh thể và các nhóm chức n ng ă

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích cấu trúc hóa học của các mẫu cellulose aerogel sau khi trải qua quá trình chế tạo và hợp phận Phân tích FTIR được thực hiện trên ba loại sinh khối, nhằm xác định các biến đổi hóa học và đặc điểm của các mẫu này Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng kể trong cấu trúc hóa học của cellulose aerogel, điều này có thể ảnh hưởng đến tính chất vật lý và ứng dụng của chúng trong các lĩnh vực khác nhau.

ng ARR, ABM, ALD và du nht thc th  hi n trong Hình 16

nh ti giá tr 3426, 2910, 1376, 1066 và 895 cm 1 là các di ph a phân t cellulose [64] C th , g c cha các m ph  c phát hi i s sóng 3320 cmn t 1 , ch yu do s ng co dãn ca gc 

O H  a cellulose Di trong phm vi 2921 2852 cm 1 n s dao

i xng c a liên k t C H nh quanh v trí 1355 cm  1 th hin s  bi n d i xng c a liên kt CH i xng ca liên k t trong các vòng  

a cellulose Liên kt m nh c sóng 1092 cm  1 n nhóm chO và 845 cm 1 n s  ng u n c a liên kt CH

c th hin trong ph FTIR c a ng vi m t s  nghiên cu

 [21, 22] Có th th y r ng các liên kc phát hin trong di ph c  a t t c các mnh xut hin ti v trí 1413 cm 1 , 1326 cm 1 và 845 cm 1 ca các m u cellulose aerogel là ph n hình c a PVA S v    ng m t c a  

Nghiên cứu cho thấy vai trò của vai (shoulder peak) trong vị trí 1726 cm cho thấy không có sự hiện diện của nhóm este acetyl và uronic của hemicellulose, đồng thời cũng không có liên kết este của lignin Kết quả này chứng minh quá trình chiết tách cellulose tinh khiết diễn ra hiệu quả, loại bỏ các thành phần không mong muốn trong quá trình xử lý.

Sau quá trình silan hóa khi ph MTMS, mu cellulose aerogel xu t hinh  quanh giá tr 780 cm 1 a liên kt Si CH 3 Thêm nc

a liên kt Si O Si trong vùng 1000 1130 cm 1 vn b chng vnh c a liên kt  CO ca cellulose [57] c phát hi n, t  hp th c a vùng này cao  

 vi các m MTMS Nh ng k t qu này chng    minh s  mt m nh m gii liên k t c  ng hóa tr  s duy trì tính k  c trên b mt cellulose aerogel [77]

M u d u nh  t thi có mt s di trong kho ng 2921 2852 cm  1 , m cao t i 1458 cm 1 và m thi 1377 cm 1 ng vi s hin din ca hn hp hydrocarbon vi chui carbon ngng phân nhánh ca liên kt

Mu cellulose aerogel sau ph MTMS hp ph da c du nht thi và cellulose aerogel sau ph MTMS, không th y s  xut hi n thêm c a các  

u này cho thy r ng không có liên k t m  i xu t hi n trong quá trình h p    ph d u c  a cellulose aerogel

H nh 16 Ph FTIR cì ổ ủa các loại sinh khối thô, các mẫ cellulose aerogel tương ứu ng chưa ph MTMS, A-RR ph MTMS và dầủ ủ u nh t th i ớ ả

Ph XRD ca các lo i sinh kh i thô và cellulose c th hin    trong Hình 17 B và bã mía nh nhi u x  ti góc ng 22.5nh

i I Tuy nhiên, ph XRD c a b t lá d a th hinh t i      góc  v trí 21.8° [78]a cellulose loi II Vi các mu

Nghiên cứu cho thấy cellulose loại I có cấu trúc khác biệt với cellulose loại II, với góc tìm thấy quanh vị trí 19.8° cho các mẫu AβM và AβLD, trong khi AβRR có góc 22.5° Sự khác biệt này có thể ảnh hưởng đến tính chất và khả năng của cellulose trong các điều kiện môi trường khác nhau, dẫn đến sự chuyển đổi từ cellulose I sang cellulose II.

Sau quá trình chế tạo cellulose aerogel, chỉ số kết tinh (Crystallinity Index - CrI) của cellulose được phân tích So sánh giữa giá trị CrI của cellulose thô, cellulose aerogel từ rơm và bã mía (A RR và A LD) với mẫu cellulose aerogel từ lá dừa (A BM) cho thấy sự khác biệt rõ rệt Kết quả này chỉ ra rằng các phân tử cellulose có sự sắp xếp đặc trưng trong cấu trúc của chúng.

Quá trình tạo cellulose aerogel từ lá dừa có thể gặp khó khăn do sự phân hủy và loại bỏ các thành phần cellulose tinh khiết trong cấu trúc Tuy nhiên, phương pháp sử dụng MTMS trong quá trình phun mù hóa học (CVD) có thể cải thiện đáng kể tính chất của cellulose aerogel, giúp tăng cường độ bền và khả năng ứng dụng của vật liệu này.

m giá tr CrI ca mu A RR Ch s    k t tinh c

45 quan trc ca v t li u h p ph, ch s k   bn

Hình 17 Phổ nhi u xễ ạ tia X (XRD) của các mẫu sinh khối thô, cellulose aerogel tương ứng ch a ph MTMS và A-RR ph MTMS ư ủ ủ 3.1.3 Khối lượng riêng và độ ốp x

Các c tính v kh x p c a aerogel là các y   u t quan tri vi mt cht hp ph t t C   th, cellulose aerogel vi khng riêng th p x

ng hp ph d [83, 84] Trong nghiên cu này, khng

 xp c a các mu cellulose aerogel sau ph MTMS c th hin trong Hình 

Kh ng riêng c    ng trong kho ng (16.07 40.63   mg/cm 3 ) vi ARR, (17.7852.63 mg/cm 3 ) vi ABM và (15.4242.21 mg/cm 3 ) vi A

2 wt% Các kt qu ng vi k t qu  c công b ca Tran và cng s

Nghiên cứu của Wan và các cộng sự đã chỉ ra rằng cellulose aerogel có đặc tính nhẹ và độ thấm khí cao, khiến nó trở thành một loại vật liệu siêu nhẹ Đặc biệt, aerogel có thể dễ dàng nằm trên nhụy của hoa Ly, minh chứng cho khả năng nổi bật của nó trong các ứng dụng tiềm năng (Hình 17b).

c l rng x p ca các mu aerogel A RR, A BM và Ang dao 

ng trong kho ng (97.29 98.93%), (95.82 98.81%) và (96.67   98.97%) Các giá tr

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích vai trò của cellulose trong quá trình chế tạo vật liệu So sánh với các nghiên cứu trước đó, đặc biệt là nghiên cứu của Feng và cộng sự, cho thấy cellulose có ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của vật liệu chế tạo Các tác giả đã phát hiện ra rằng hàm lượng cellulose trong vật liệu có thể cải thiện độ bền và khả năng chịu lực, từ đó mở ra hướng đi mới trong việc phát triển vật liệu bền vững.

ng nanocellulose t n 0.75 wt%, aerogel t rng xng dao

Có th thy r rng x p và khng riêng c a các m u cellulose aerogel t     ba lo i sinh kh i khá ng

H nh 18 (a) Khối lượng riêng và độ xốp của các mẫu cellulose aerogel sau khi phủ MTMS thay đổi theo nồng độ cellulose, thể hiện qua biểu đồ khối lượng riêng và biểu đồ độ xốp (b) Mẫu cellulose aerogel được đặt trên nhụy của hoa Lily 3.1.4 Diện tích bề mặt riêng và kích thước mao quản cũng được phân tích trong nghiên cứu này.

Kết quả phân tích trong Bảng 7 cho thấy diện tích bề mặt riêng của aerogel A RR 0.5% là 8.20 m²/g, giá trị này giảm xuống 5.80 m²/g sau quá trình tổng hợp bằng lặp phức MTMS Sự thay đổi này được quan sát rõ ràng qua giá trị diện tích bề mặt.

c l trung bình, 28.68 nm v i A RR  và 21.62 nm v i A RR     0.5% sau ph MTMS

Diện tích bề mặt riêng của aerogel giảm sau quá trình phủ MTMS, chủ yếu do sự chiếm chỗ của các phân tử MTMS trong các lỗ rỗng của lớp phủ trên bề mặt cellulose aerogel trong quá trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) [87] Khi MTMS được lắng đọng, nó làm giảm khả năng hấp thụ và diện tích bề mặt của aerogel.

c chuyn thành du trúc r ng x p ca aerogel và lng

H nh 19 ì Đẳng nhiệt hấp ph ụ – nhả ấp phụ N h 2 với mẫu A–RR 0.5 wt%: a) chưa phủ

Bảng 7 Diện tích bề ặt riêng và kích thước lỗ trung bình của mẫu cellulose aerogel m trước và sau phủ MTMS

Mẫu Diện tích bề ặ m t riêng

Kích thước lỗ trung bình

Diện tích bề mặt của các hạt nano có thể ảnh hưởng đáng kể đến quá trình hấp phụ, tạo ra sự tiếp xúc và tương tác hiệu quả hơn Trong lĩnh vực này, các chất hấp phụ có diện tích bề mặt riêng lớn giúp tăng cường khả năng hấp phụ, từ đó cải thiện hiệu suất xử lý Việc tối ưu hóa diện tích bề mặt là yếu tố quan trọng trong việc nâng cao tính chất hấp phụ của vật liệu, đặc biệt là trong

Hình 20a cho thấy rằng răng giáp có thể được phát triển trên bề mặt cellulose aerogel sau khi phủ MTMS, trong khi dầu nhờn và dầu diesel có thể dễ dàng bị hồi phục Thêm vào đó, việc phủ MTMS dù ở dạng lỏng hay dạng khí đều giúp cải thiện tính chất bề mặt của cellulose aerogel, như thể hiện ở Hình 20b và 20c Việc này cho thấy tiềm năng ứng dụng của MTMS trong việc tối ưu hóa các tính chất của vật liệu cellulose aerogel.

c th hic nhanh chóng b hp ph  WCA không th tin hành

Dung lượng hấ p ph với nước và d u nguyên ch t 49 ụ ầ ấ 3.3 Dung lượng hấ p ph d u trong h n h p d u nước 53 ụ ầỗợầ – 3.3.1 Ảnh hưở ng c ủa khối lượng cellulose aerogel

Hình 22 th hin quá trình h p ph c a aerogel trong d u nh t nguyên ch t trong 5      

u tiên Rõ ràng r ng, aerogel ph MTMS d dàng h p ph d u nh t nguyên ch       t và ngp hoàn toàn trong du ch sau 5 phút, u này th hi n ái lc cao ca aerogel vi d u nh t thi

Hình 22 Quá trình hấp phụ ầu nguyên chất theo thời gian trong 5 phút đầu tiên d

Sự bám dính của dầu vừng trên bề mặt cellulose aerogel xảy ra chủ yếu do lực Van der Waals và các tương tác hóa học giữa dầu và bề mặt cellulose Để tối ưu hóa khả năng bám dính này, cellulose aerogel cần có cấu trúc vi mô phù hợp, giúp tăng cường tương tác giữa các phân tử dầu và bề mặt Các yếu tố như độ xốp và kích thước lỗ mao quản trên bề mặt cellulose aerogel đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng hấp thụ dầu, từ đó tạo ra các ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực hấp thụ và lọc chất lỏng.

Quá trình hấp phụ của dầu có vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và tránh hiện tượng rò rỉ Theo nghiên cứu của Tansel và Pascual, hấp phụ có thể xảy ra thông qua sự khuếch tán của các phân tử dầu lên bề mặt vật liệu, liên quan đến kích thước lỗ mao dẫn và diện tích tiếp xúc của dầu trong các mao quản.

H nh 23 ì Dung lượng h p ph dấ ụ ầu theo hàm lượng cellulose của các mẫu cellulose aerogel phủ MTMS

ng cng hp ph dc th hin trong Hình 23ng h p ph d  u gi m khi n   0.5  2 wt% A

RR, A BM và A ng hp ph ln nht ti giá tr 0.5 wt% và các giá tr gia các mng h p ph   cao nht v i d u nh t th i và du diesel lt là 27.81 g/g và 26.85 g/g S khác bit

 kt qu có th   n t giá tr kh  p ca các mu aerogel Ti n cellulose x

 xp c a các mt giá tr l  n nh t khi so sánh v i giá tr   

ng t i n  1 wt% và 2 wt% M rng x p l vi vic có nhi  dng h p ph [83,  

84] Sau thí nghim này, mu Ac ch thc hi n nh ng thí nghi m    tip theo

Sau khi thực hiện MTMS, các mẫu cellulose aerogel 0.5 wt% cho thấy khả năng hấp phụ của mẫu A RR 0.5 wt% với dầu diesel nguyên chất Hình 24 và 25 minh họa rõ ràng sự khác biệt trong khả năng hấp phụ của các mẫu khác nhau Các mẫu cellulose aerogel có khả năng hấp phụ dầu diesel ưu tiên hơn trong khoảng thời gian 2 phút, với hiệu suất hấp phụ đạt 27.81 g/g, trong khi dầu diesel chỉ đạt 26.85 g/g Quá trình hấp phụ dầu diesel diễn ra hiệu quả và nhanh chóng.

u nht thi có th c gi nh t c a d u diesel nh   các phân t du diesel   dàng xâm nh p vào bên trong c u trúc   mao qun c a aerogel [97] 

T Bng 9, v i d u nh t th i, mô hình gi ng h c b c 1 có h s          2 cao nht mô hình gi  ng h c b c 1 và mô

u th hin h s t cao (0.99928 v i 0.99846) Có th k t    lun r ng mô hình gi   ng hc bc 1 có kh  tt nhng hc ca quá trình h p ph  2 loi du Da vào kt qu cng nh hp ph v i  

51 d u nh t thi và du diesel lu này có th  gi i thích là do d nht thu nht th bám dính lên b t cellulose m aerogel ké ng nh  h p ph  

Hình 24 Dung lượng h p ph cấ ụ ủa cellulose aerogel 0.5 wt% phủ MTMS với dầu nhớt và dầu diesel nguyên chất theo thời gian

H nh 25 ì Động học hấp phụ ủ c a m u A-RR 0.5 wt% ph MTMS v i d u nh t và d u ẫ ủ ớ ầ ớ ầ diesel nguyên chất

Kt qu ng h p ph  cân bng tính toán t mô hình là 27.82 

26.66 diesel Kt qui giá tr  ng h p  ph cân bng thu c t quá trình th c nghi m t i th m sau 30 phút (27.81 g/g 

Giá tr  h ng s h p ph k    ca du diesel i các giá tr ng ca du nht thng

nh li rng quá trình h p ph  ca d u diesel   i d u nh t  th i 

B ng 9 Các thông s ả ố mô hình động học của mẫu A-RR 0.5wt% sau phủ MTMS với d u nhầ ớt và dầu diesel nguyên chất

Mô hình R 2 Hằng số động học

Mô hình R 2 Hằng số động học

ng h p ph  dnh vi các mc và sau ph MTMS (Hình 26), kt qu cho thy r ng v i c du nh t th i và d u diesel,   

H nh 26 ì Dung lượng h p ph d u vấ ụ ầ ới các mẫu cellulose aerogel trước và sau phủ

C thng hp ph  3.47 g/g v i d u nh t th i và 3.43 g/g v i d u   diesel Qua k t qu  n tích b mt riêng c a cellulose aerogel gi m t 8.20    m 2 /g xung 5.80 m 2 /g sau quá trình ph u này có th dn vi c gim

ng h p ph  ca cellulose aerogel sau khi ph MTMS, tuy nhiên do MTMS có ái l c cao v i du nên t ng th  ng h p ph d  MTMS [22]

Vc, dù cellulose aerogel có tính k cellulose aerogel vn thhin

ng h p ph   t 0.5 g/g u này xy ra là do khi nhúng cellulose aerogel vào

c, nh b mt nhám c a aerogel và hing mao d n nên mc nh    v n có kh   bám trên b a aerogel c

3.3 Dung lượng hấp ph d u trong hụ ầ ỗn hợp dầu – nước

Aerogel cellulose được phát triển từ MTMS có khả năng hấp thụ hiệu quả các chất lỏng, đặc biệt trong thí nghiệm phân tách dầu Với tính chất nhẹ và độ thấm hút cao, aerogel cellulose có thể hấp phụ nhanh chóng và hiệu quả, cho phép loại bỏ dầu trong vòng 10 phút Hình 27 minh họa quá trình này, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng của aerogel cellulose trong việc xử lý ô nhiễm môi trường.

Hình 27 Quá trình cellulose aerogel phủ MTMS hấp ph d u nhụ ầ ớt thải trong hỗn h p ợ d u ầ – nước 3.3.1 Ảnh hưởng của khối lượng cellulose aerogel

u tiên, ng ca khn hi u qu  ca quá trình hp ph du nh t th i và d u diesel c nghiên c u và k t qu c th hin trong Hình       

28  ng h p ph     ng gim d    ng ca cellulose aerogel Vi c du nht th i và d u dieselng h p ph cao nhc t i      giá tr 0.05 g cellulose aerogel: 27.93 g/g v i d u nht thi và 25.58 g/g v i du diesel 

g ng v i hiu sut x t 17.50% và 17.81% ng gim vng h p ph  du nh t ng ch t h p ph     c phát hi n trong nghiên  c u c  - ng s [98]

Dầu thực vật có hàm lượng 18.21 g/g và dầu diesel 18.12 g/g tại giá trị cellulose aerogel cao nhất (0.45 g) Dù lúc này, giá trị dầu được loại bỏ hoàn toàn khi hiệu suất loại bỏ đạt 97.61% với dầu thực vật và 95.42% với dầu diesel Từ đó, giá trị cellulose aerogel tập trung vào hiệu suất xử lý là 0.45 g.

Khối lượng cellulose aerogel có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng hấp phụ dầu nhớt thải và dầu diesel Thời gian tiếp xúc cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình hấp phụ, ảnh hưởng đến động học hấp phụ của vật liệu Nghiên cứu này nhằm làm rõ mối liên hệ giữa các yếu tố này để tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ của cellulose aerogel.

ng hc hp ph ca mu aerogel ph MTMS vi du nht th i và d u diesel c th  hi n trong Hình 29

H nh 29 ì Động học hấp phụ ủ c a mẫu A-RR 0.5% phủ MTMS với dầu nhớt thải và dầu diesel trong hỗn h p dầu ợ – nước

ng h p ph  ca c 2 lo ng phút i d

m dt cân bng C thng h p ph    t

u tiên v i d u nh t thi d u diesel, th i gian này là 1      phút Cân b ng h p ph    c vi du nht thi và du diesel lt ti thm

Trong nghiên cứu về trạng thái cân bằng hấp phụ, aerogel đã thể hiện khả năng hấp phụ hiệu quả, đặc biệt là đối với dầu diesel Các thông số của ba mô hình hấp phụ cơ bản, bao gồm mô hình Langmuir, Freundlich và Elovich, được trình bày trong Bảng 10, cho thấy sự tương đồng trong quá trình hấp phụ.

Mô hình giáng hạ cấp 1 và 2 hiện đang có giá trị hấp dẫn nhất, cho thấy sự tương đồng trong quá trình hấp phụ Nghiên cứu của Feng và các cộng sự chỉ ra rằng mô hình giáng hạ cấp 2 là mô hình phù hợp nhất cho quá trình hấp phụ, trong khi giá trị hấp phụ tối đa đạt được tại điểm cân bằng Mô hình Elovich cũng cho thấy sự phù hợp tốt với hệ số hấp phụ đạt 0.25 g/g, khẳng định tính chính xác của các mô hình này trong việc mô tả quá trình hấp phụ.

Vi du diesel, khác vi du nht thi, mô hình gi  ng hc bc 1 và mô hình Elovich có h s  2 x p x nhau cao nh  t và hai mô hình này có th mô t 

Quá trình hấp phụ của dầu diesel trên bề mặt chất rắn được nghiên cứu qua mô hình Elovich, nhằm đánh giá sự tương tác giữa dầu diesel và các bề mặt hấp phụ Giá trị hấp phụ tối đa đạt được tại điểm cân bằng, cho thấy sự ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ và áp suất So sánh với giá trị của dầu nhờn cho thấy dầu diesel có khả năng hấp phụ mạnh mẽ hơn, điều này có thể được giải thích bởi cấu trúc phân tử và tính chất vật lý của dầu diesel Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn sâu sắc về hành vi hấp phụ của dầu diesel, từ đó hỗ trợ trong việc tối ưu hóa quy trình xử lý và ứng dụng trong công nghiệp.

ng hp ph d u nh t thi và du diesel lt là 27.49 g/g và  25.29 g/g iá tr qe tính toán t ng hc v i d u nht thi và du diesel (

27.81 g/g v i d u nh t th i và     26.85 g/g vi du diesel), kt qu cho thy rng h p  ph  i ging nhau vi du nht thu ki n d u nguyên cht và trong h n h p d u     c Trong khi vi du dieselng h p ph trong h n h p d    u

 c thu ki n d u nguyên cht S khác bit này có th do

 nh t c a d u diesel thu nht thi nên quá trình h p ph d u diesel b nh  

ng bc nhii du nht thi   aerogel  

B ng 10 Các thông s ả ố mô hình động học của mẫu A-RR 0.5wt% phủ MTMS với dầu nhớt thải và dầu diesel trong hỗn hợp d u ầ – nước

Mô hình R 2 Hằng số động học

Mô hình R 2 Hằng số động học

3.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Trong nghiên cứu, sự khác biệt giữa hai loại dầu diesel và dầu thực vật được phân tích ở nhiệt độ từ 10°C đến 60°C Ở nhiệt độ 20°C, dầu thực vật có chỉ số hòa tan là 26.13 g/g, trong khi dầu diesel đạt 25.65 g/g Khi nhiệt độ tăng lên 60°C, dầu thực vật có chỉ số hòa tan giảm xuống còn 24.38 g/g, trong khi dầu diesel là 22.88 g/g Đặc biệt, ở 60°C, hiện tượng tách dầu bão hòa khỏi cellulose aerogel được quan sát thấy Những phát hiện này cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất hòa tan của các loại dầu.

Sự tương tác giữa các yếu tố trong quá trình phát triển của chất lỏng có thể được giải thích khi xem xét sự biến đổi của khối lượng chất lỏng trong ống mao dẫn Mối quan hệ giữa các yếu tố này được thể hiện thông qua phương trình Lucas-Washburn Theo chiều dọc, khối lượng chất lỏng trong ống mao dẫn giảm dần.

m khng cng d u h p ph   Bên c làm

 nh t c a d u gi gi m v kh a du bên trong các     l rng ca ng du thoát ra trong th ráo aerogel sau hp ph nhi u  

t qu ng hp ph gim [100] Thêm n a, quá trình h p ph d u b i  aerogel là quá trình hp ph vt lý [101]  cao là tác nhân gây ra quá 

57 trình gii hp, vì v y ng d u b h   p ph s ng b tách ra khi nhi 

Tuy nhiên du nh t th i không tuân theo quy lut này trong kho ng nhi t 10 on 20 o C Vi du nht thi, nhi m kh

 nh t c a d u nh t thphân t d   u nh t thng và d  

n vào trong cu trúc xp ca cellulose aerogel, kt qu là dung

Nhiệt độ hoạt động tối ưu cho dầu diesel là khoảng 20°C, giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu sự xâm nhập của các hợp chất không mong muốn Dầu diesel ở nhiệt độ này có khả năng duy trì tính chất vật lý tốt, đồng thời giảm thiểu độ nhớt, từ đó cải thiện khả năng bơm và phun nhiên liệu Việc sử dụng cellulose aerogel có thể giúp tăng cường hiệu suất nhiệt và ổn định cho dầu diesel trong các ứng dụng công nghiệp.

Tc có khí hu nhit Nam, nhi c ngoài môi

ng quanh kho ng 20°C 25  o C, u này tu kin thun l áp d ng aerogel trong th c tin vng hp ph ng nh t Trong nghiên  cu này, các thí nghim hp ph  c thc hi i nhi phòng (25 n t o C)

H nh 30 ì Ảnh hưởng c a nhiủ ệt độ đế n hiệu suất hấp phụ dầu nhớt thải và dầu diesel của cellulose aerogel 3.3.4 Ảnh hưởng của pH

ng h p ph d u nh t th i và d u diesel theo giá tr c th hi n trong          Hình 31

Trong nghiên cứu về cellulose aerogel, các mẫu với các tỷ lệ pH 3, 5, 7 và 9 cho thấy hiệu suất hấp phụ dầu thải và dầu diesel lần lượt là 27.38 g/g, 27.12 g/g, 27.45 g/g, 27.65 g/g và 25.21 g/g, 25.48 g/g, 25.84 g/g, 25.46 g/g Kết quả này cho thấy quá trình hấp phụ dầu thải và dầu diesel của cellulose aerogel không bị ảnh hưởng bởi giá trị pH của hỗn hợp dầu, cho thấy khả năng hấp phụ tốt của vật liệu này đối với hai loại dầu.

58 y u ph  thu  r ng xp ca vt li nh t c a du Hai thông s này không  ph thuc vào giá tr  ng h p ph   hai loi du này ca cellulose aerogel

H nh 31 ì Ảnh hưởng c a pH ủ đến dung lượng hấp ph d u nhụ ầ ớt thải và dầu diesel

3.3 Kh ả năng tái sử ụng của aerogel d

Kt qu ca thí nghim hp ph  nh h p ph   d    ng c a 

c th  hi n trong Hình 32 Có th thy rõ ràng r ng dung ng hp  ph ca cellulose aerogel gi sau lu tiên thc hi n nh h  p ph b ng ép  

c Sau lu tiên th c hi n quá trình nh hp ph

Cấu trúc răng xương trong cellulose aerogel có khả năng giảm bớt một số trọng lượng riêng và mật độ của các loại răng, giúp cải thiện tính chất của vật liệu Cụ thể, trọng lượng giảm từ 27.38 g/g xuống 6.20 g/g với điều kiện tối ưu đạt 77% Đối với diesel, sự giảm trọng lượng được tính toán đạt 75%, từ 25.42 g/g xuống 6.43 g/g sau 10 chu kỳ xử lý Các kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của cellulose aerogel trong việc cải thiện hiệu suất và giảm trọng lượng trong các lĩnh vực khác nhau.

ng hp ph do v cu trúc rng xng d u b  gi li bên trong c u trúc c a

 nhm hi u qu c a quá trình    h p ph  [77]ng hp ph vi du diesel ng cao

i du nh t th i c quan sát th y ngay sau l n tái s d     u tiên

Hiu sut loi b du khi cellulose aerogel sau quá trình hp ph nh quá trình ép

Sau hai lần thử nghiệm, cấu trúc rỗng xếp chồng của cellulose aerogel đã phá vỡ hiệu suất ép dầu giảm mạnh, với mức giảm 65% so với 35% và 72% so với 41% đối với diesel Kết quả này cho thấy rõ ràng hiệu suất lọc dầu của aerogel mang lại hiệu quả cao.

i du diesel khi so sánh v i d u nh t th   u này x y ra do  ng c nht gia 2 loi du, du diesel  nht th 

59 vào b m b tách khi có lng Cellulose

c và sau quá trình tái s dc th hi n trong Hình 33  

H nh 32 ì Dung lượng h p ph và hiấ ụ ệu suất tách dầu sau 10 chu k h p phỳ ấ ụ - nhả ấ h p ph bụ ằng ép c h c ơ ọ

Hình 33 Cellulose aerogel phủ MTMS tại thờ đ ểi i m trước và sau 10 lần tái sử ụ d ng liên tiếp

3.4 So sánh với các loại vật liệu h p phấ ụ ổ t ng hợp khác

ng hp ph d u nh t th i và d u diesel c a cellulose aerogel ph MTMS     